Rückstoßprinzip Rakete?
Hallo , ich kann mir den rückstoßprinzip bei einer Rakete nicht vorstellen. Ich weiß ,dass der Impuls der Treibstoffe auf der Rakete übertragen wird , und somit fliegt die Rakete am Anfang mit der Geschwindigkeit der Ausstoßstoffen los. Werden die Stoffe beim Aufprall am Boden in Richtung der Rakete ablenkt ? Wie kann man sich das bildlich vorstellen ?
Ich verstehe nicht ganz was du mir deiner vorletzten Frage meinst
Die ausgangs Stoffe werden ja nach hinten beschleunigt (Richtung Boden ) , werden sie nach dem Stoß nach vorne (Richtung Rakete ) abgestoßen ?
Meinst du eine Rakete die kontrolliert auf dem Boden landet oder eine mit Gefechtskopf?
Ich meine beim Start
5 Antworten
und somit fliegt die Rakete am Anfang mit der Geschwindigkeit der Ausstoßstoffen los.
tut sie nicht.
Werden die Stoffe beim Aufprall am Boden in Richtung der Rakete ablenkt ? Wie kann man sich das bildlich vorstellen ?
der treibstoff der hinten rausgeht wechselwirkt nicht mehr mit der rakete und hat null einfluss. mit dem kannst du machen was du willst.
stell dir einen quaderförmigen luftballon vor (ja ich weiß die sind eher rund, aber ist doch egal):
die luftmoleküle darin stoßen von innen an die wand und drücke sie nach außen. das tun sie allerdings völlig ungerichtet und damit gleichen sich die impulse die sie auf die linke und auf die rechte, auf die vordere und auf die hintere, und auf die obere und auf die untere wand ausüben exakt aus. der luftballon bleibt damit in summe also in ruhe, nur ein bisschen aufgebläht in alle richtungen ist er durch diese stöße der luftmoleküle die nach außen drücken. diese kraft die sie auf die innenfläche des luftballons ausüben nennt man übrigens druck. wenn du z.B. mehr luft in den luftballon pumpst, oder die vorhanden luft erwärmst wodurch die moleküle schneller werden, übertragen sei mehr kraft auf die innenwände und der druck erhöht sich. das heißt der luftballon wird sich mehr aufblasen, aber immer noch in ruhe bleiben, weil sich die impulse nach oben und unten, nach links und nach rechts, nach vorne und nach hinten ja alle im mittel genau aufheben.
und jetzt öffnest du eine seite des quderförmigen ballons, nimmst also z.B. die unter wand weg. was passiert? die luftmoleküle fliegen ganz genau gleich ungerichtet durch die gegend und stoßen gegen die wände und übertragen dabei impuls. nach links und nach rechts (gleichen sich dabei genau aus), nach vorne und nach hinten (gleichen sich dabei genau aus). und natürlich, genau so wie vorher, auch nach oben und nach unten. nur dass sie jetzt nach oben immer noch auf die wand treffen und dabei impuls übertragen, während nach unten jetzt offen ist und sie einfach so entweichen ohne jemals mit dem luftballon zu interagieren oder irgendwie impuls zu übertragen. die, die nach unten gehen, fliegen also einfach raus ohne irgendwas zu machen! aber genau dadurch wird der impuls, den jene moleküle die nach oben gegangen sind auf den ballon übertragen haben durch nichts mehr ausgeglichen. was passiert also? wir haben einen netto-impuls nach oben, und der ballon bewegt sich also nach oben!
da sich die impulse nach oben und nach unten vor dem öffnen der unteren wand genau ausgeglichen haben, wissen wir zusätzlich außerdem dass der impuls der moleküle nach oben gleich jenem der moleküle nach unten war. also bekommt der ballon von ersteren genau jenen impuls übertragen, der dem der teilchen entspricht die unten ungehindert und ohne jeden kontakt rauskommen. das ist die impulserhaltung.
was die moleküle die unten rausfliegen nachher noch so machen, ist für unseren ballon dabei völlig egal.
das ist wirklich sehr gut erklärt ! Was passiert aber, wenn die Moleküle nach oben weniger Impuls übertragen als nach unten, sodass der Impuls sich doch nicht ausgleicht ? Was ist überhaupt die impulsübertragung ? Was bewirkt sie bei einen Körper ?
Ich weiß ,dass der Impuls der Treibstoffe auf der Rakete übertragen wird
Richtig.
Das sagt das Prinzip der Impulserhaltung. Der Impuls der Ausstoßstoffe ist gleich groß, aber umgekehrt gerichtet, wie der Impuls der Rakete. Zusammen ergeben sie die Summe Null. Ich schreibe das mal so:
Impuls_A = - Impuls_R
und somit fliegt die Rakete am Anfang mit der Geschwindigkeit der Ausstoßstoffen los.
Nein, am Anfang hat sie die Geschwindigkeit Null und wird dann allmählich schneller. So schnell wie die Gase – nämlich mehrfache Schallgeschwindigkeit – wird die Rakete erst nach einiger Zeit.
Impuls = Masse * Geschwindigkeit. Das gilt für die Ausstoßstoffe und es gilt für die Rakete.
Masse_A * Geschwindigkeit_A = - Masse_R * Geschwindigkeit_R
Die Rakete fliegt mit der Geschwindigkeit los, die, mit ihrer Masse malgenommen, dem bis dahin auf sie übertragenen Impuls entspricht.
Da das Triebwerk noch eine ganze Weile weiter brennt, wird so lange auch immer weiter Impuls auf die Rakete übertragen. Deshalb wird sie immer schneller.
Da sich die Treibstofftanks dabei leeren, wird sie auch auch immer leichter, deshalb sorgt der gleiche Impulszuwachs für immer größere Geschwindigkeitszunahme, d.h. die Beschleunigung nimmt zu.
Werden die Stoffe beim Aufprall am Boden in Richtung der Rakete ablenkt ? Wie kann man sich das bildlich vorstellen ?
Die Startrampe ist so gebaut, daß die Gase möglichst keinen Schaden anrichten. Auf die Rakete haben sie, sobald sie aus der Düse draußen sind, keinen Einfluß mehr. Der Raketenantrieb funktioniert ja auch draußen im Weltall, wo es ringsherum keine anderen Körper gibt.
das ist ja ein elastischer Stoß , den nach den Stoß trennen sich Rakete und Gase . Meine Frage ist , was passiert mit den Impuls der Gase nach dem sich Gase und Rakete trennen ?
Die Gleichung oben beschreibt gar keinen Stoß. Sie sagt nur, daß der Impuls der ausgestoßenen Gase betragsmäßig gleich groß ist wie der der Rakete.
Die linke Seite beschreibt die Gase, die rechte Seite die Rakete.
Wenn Du nach der Begründung dafür fragst, dann kann man allerdings den Triebwerkseinsatz wie einen Stoß betrachten und sagen, daß der Gesamtimpuls von Treibstoff und Rakete vor und nach dem Ausstoß von x kg Treibstoff gleich ist. Wenn wir nun einfach davon ausgehen, daß der Gesamtimpuls vor dem Ausstoß Null ist, ist er das auch nach dem Ausstoß.
Hier nehmen dann aber nur den Zustand nach dem Ausstoß und zerlegen ihn in seine beiden Anteile: Impuls des Gases und Impuls der Rakete. Die müssen zusammen Null sein, also haben sie den gleichen Betrag und umgekehrtes Vorzeichen. Das sagt die obige Gleichung.
Hallo Franz1957, ich habe mich heute lang damit beschäftigt. Ich habe es jetzt erst verstanden, dass der gesamt Impuls vor den Stoß null ist , da sich Treibstoffe und Rakete nicht bewegen . Nach den stoß bzw unmittelbar nachdem der Raketenmotor die Treibstoffe ausstoßt , stoßen sich Treibstoffe und Rakete . Somit gilt die Gleichung 0=Pr+Pg
-pr=pg .
Hallo Fitness34, ich sehe, daß Du richtig intensiv an dem Thema dran bist. Wie der Stoß in der Brennkammer des Triebwerks funktioniert, das hat Reggid ja mit dem Ballon-Modell sehr gut erklärt.
Ich will noch erwähnen, daß die Gase, nachdem sie die Brennkammer verlassen haben, auch in dem Trichter der Düse noch weiter Impuls auf die Rakete übertragen, auf genau die gleiche Weise, wie Reggid erklärt hat. Ungefähr die Hälfte der Schubkraft des Triebwerks entsteht dort.
Von Deinen Impulsgleichungen könntest Du an dieser Stelle zu der Größe Kraft, bzw. Schub übergehen. Kraft ist nichts anderes als die pro Zeiteinheit übertragene Impulsmenge, also Impulsstrom. Da das Triebwerk ja einige Zeit brennt, wird währenddessen andauernd Impuls übertragen. Es findet sozusagen ein dauernder Stoßprozess statt, bei dem ein dauernder Strom von Impuls auf die Rakete übertragen wird. Dieser Impulsstrom ist die Schubkraft F.
In Formeln kann man die Schubkraft so ausdrücken, daß man sagt: Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit, also ist der Impulsstrom der hinten ausgestoßenen Gase deren Massenstrom mal Austrittsgeschwindigkeit, in Formelzeichen:
F = Δm/Δt * v, oder: ṁ * v. (Ich hoffe, man sieht den kleinen Punkt über dem m, er bedeutet "pro Zeit".)
Hier steht noch mehr darüber. (Auf den Seiten der NASA bedeutet das p nicht den Impuls, sondern den Druck.)
https://www.leifiphysik.de/mechanik/impulserhaltung-und-stoesse/grundwissen/raketenphysik
Danke Franz1957, dank dir verstehe ich jetzt wirklich was Impuls bedeutet :)
Die Abgase werden normaler Weise seitlich abgelenkt. Man nutzt also nicht zusätzlich noch gezielt die Energie sie sich durch den Überdruck unter der Rakete oder eine Rückreflektion am Boden ergeben würde.
Ein Raketenantrieb ist also reine Impulserhaltung, Treibstoff runter, Rakete hoch. Anders als z.B. bei einer Pistolenkugel, wo eine Treibladung durch Überdruck in einem abgeschlossenen Volumen die Kugel beschleunigt.
Ein eher konstruiertes Beispiel für das was du vermutlich meinst, wäre: Jemand steht auf einem Skateboard und wirft einen Basketball gegen eine Wand. Diese Prallt ab um wird von der Person wieder gefangen. Dabei wird maximal des doppelte Impuls des Wurfes an die Person auf dem Skatboard übertragen. Und nicht nur der aus dem Abwurf.
Streng genommen wäre es nicht mal der doppelte Impuls wenn der Ball vollelastisch zurück springt, weil sich die Relativgeschwindigkeiten dann ja schon geändert haben, aber wenn die Massen weit genug auseinander liegen, kann man das ggf. vernachlässigen.
ein einfacher Selbstversuch macht das anschaulich: man setzt sich auf einen Bürostuhl mit Rollen, mit einem Bierkasten auf dem Schoß. Dann wirft man den Bierkasten nach vorne und fährt dadurch rückwärts.
Die Rakete braucht keinen Boden. Sie stößt sich von den Treibstoffgasen ab.
Und was passiert mit den Impuls der Gase nach den Stoß
die Gase fliegen in die eine Richtung, die Rakete in die andere. Der Gesamtimpuls bleibt null. Und es ist nicht nur ein Stoß - Raketen stoßen Gas kontinuierlich aus, solange Treibstoff vorhanden ist.
Sie müssen ja nicht abgelenkt werden.
Es gilt die Impulserhaltung. Die ausgestoßenen Gase haben einen Impuls und nach der Impulserhaltung muss der Gesamtimpuls 0 sein.
Wenn also die Gase den Impuls p haben muss auf die Rakete der Impuls -p übetragen werden.
Aber wie fliegt dann Rakete hoch ? Stützen sich die Gase am Boden ab , sodass die Rakete fliegen kann ?
Nein da muss sich gar nichts irgendwo abstützen.
Das Prinzip der Impulserhaltung ist Universel, also die gilt immer und das ist der Grund warum die Rakete fliegt.
links ist ja Impuls vor den Stoß , und rechts nach den Stoß. Haben die Gase nach den Stoß kein Impuls ?